Диссертация (1151678), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Программа экспериментальных исследованийИсходя из задач, поставленных на основании анализа научнотехнической литературы и проведенных теоретических обоснований,намечена следующая программа исследований:Программа измерения гидрофизических и физических характеристик.1. Репрезентативный отбор проб почвы [18, 19] характерных дляисследуемого участка.2. Измерение гидрофизических характеристик:-Функции влагопроводности и коэффициента фильтрации;-объемной массы (весовым методом);-удельной поверхности твердой фазы почвы;-активной пористости.3. Определение:-объемнойвлажностипочвывполевыхусловиях(диэлькометрическим влагомером);-объемной влажности образцов почвы в лабораторных условиях(термостатно-весовым методом);-значения остаточного объема влаги.4.
Определение в полевых и лабораторных условиях:-значений пористости при нагнетании/разрежении воздуха впоры/из пор;-значений плотности твердой фазы почвы по данным опористости и плотности.5. Определение:-размера эффективного агрегата почвы;-распределения коэффициента влагопроводности по глубине.Для выполнения программы исследований были усовершенствованы196экспериментальные установки, методики и расчетные формулы. Расширениеи совершенствование имеющейся приборной базы связано с необходимостьюускорения измерений и повышения их точности.При проведении экспериментов принят порядок постановки опытовизмерений и расчетов, соответствующий последовательности пунктовпринятой программы исследований. Взятие проб с помощью буров.Определение характеристик протекания газа через образец почвы с помощьюаэродинамическогопермиметра.усовершенствованнойустановкеОпределениепоизмерениюпористостипористости.наРасчетвлажности с помощью влагомеров или в сушильном шкафе.Точностьсогласноизмерений,стандартнымлабораторногопроведенныхрекомендациямпрактикума.Исследуемыеэкспериментов,попроведениювеличинывопределялифизическоговероятностно-статистическом смысле имеют сильную пространственную вариабельность[60], что приводит к необходимости определения количества измеренийсоответствующего заданной значимости результатов и расчету среднихзначений, стандартных ошибок и пр.Обработку экспериментальных данных проводили при помощиэлектронных таблиц Excel бесплатного сервиса Office online и Calc пакетаLibreOffice [19], статистическую обработку изображений при помощиразработанных нами программ и программы SigmaScan.
Графическиезависимостиэкспериментальныхданныхаппроксимированысиспользованием систем компьютерной математики MAXIMA и Maple [20],при этом статистическая значимость уравнений проверялась с помощью Fкритерия Фишера (через коэффициент детерминации R2), а значимостьрасхождения между теоретическими и экспериментальными данными спомощью критерия Пирсона χ2. При оптимизации режимов работы рабочихорганов исследуемых орудий использовалась методика планированияэксперимента.1975.2. Экспериментальные установки5.2.1. Аэродинамический пермиметрУдельная поверхность почв определяется аэродинамическим методом,в котором рассматривается протекание газа через образец почвы. Дляизмеренияхарактеристикпотокагазачерезпочвуиспользуетсяаэродинамический пермиметр [3], принципиальная схема которого приведенана рисунке 5.1. Различные варианты камер пермиметра на рисунке 5.2.компрессорпочвавыпускное окночасысчетчикРисунок 5.1 – Принципиальная схемаРисунок 5.2 – Камера пермиметра.
Стандартный вариант (слева) и вариантдля работы с тонкими слоями (справа).Установка состоит из камеры с образцом почвы между пористымимембранами. Камера соединена с торцов с предкамерами (рисунок 5.2). Побокам через патрубки предкамеры соединены со счетчиком и компрессором.Вкамерупомещаетсяобразецпочвы,герметизируется,после198включения компрессора через почву начинает протекать воздух.
Послерегулирования давления с помощью выпускного окна, по показаниямсчетчика измеряется расход газа через образец ΔV, в единицу времени.перепад давлений Δр, время Δt. Рассчитывают удельную поверхность.В эксперименте используется образец, взятый буром, вместе скассетой. Размеры образца: Rs = 39 мм; длина Δх = 100 мм (20 мм).Полученный образец почвы всегда содержит некоторое количествоадсорбированной влаги. Поэтому измерения влажности почвы используютсяв процессе экспериментального определения удельной поверхности границыраздела твердая фаза-газ.5.2.2. Устройство для определения пористости почвыДля измерения пористости использовалось усовершенствованноеустройство, разработанное в лаборатории «Гидрофизики и эрозии почв»Чувашской ГСХА [3].Разработано несколько методов определения пористости с помощьюданного прибора. Это методы, основанные на изотермическом расширениипорового воздуха в вакуум и на адиабатическом расширении поровоговоздуха в вакуум.
Однако воздух при расширении охлаждается, аадиабатным процесс можно считать только приблизительно. Кроме того,нами разработан метод расчета пористости, основанный на расширениипорового воздуха в область с пониженным давлением и учете сохранениямассы порового воздуха. Поэтому получившее в последнее время широкоераспространениеидоступностьнагнетателейдавления(например,автомобильный компрессор CityUP AC-580 Original) привело к разработкеметода вычисления пористости, в котором почвенный воздух приводится вконтакт с воздухом находящимся при повышенном давлении. Посколькуосновной эффект зависит от абсолютной величины разности давлений, топредлагаемый нами подход нагнетания воздуха предпочтительнее подхода,199при котором воздух расширяется.
При разряжении максимальной разностьюдавлений является величина атмосферного давления, а при нагнетании этавеличина зависит от эксплуатационных характеристик компрессора и можетв разы превышать атмосферное давление. Относительная ошибка измеренийприэтомпримерново столькоже разуменьшается.Манометрыкомпрессоров оснащены хорошо различимой и удобной в использованиишкалой и имеют высокую точность и минимальную величину погрешности.При отсутствии электроэнергии установка может работать и с насосомКамовского.Принципиальнаясхемаустройствадляреализацииметодапредставлена на рисунке 5.3, общий вид устройства и использование вполевых измерениях - на рисунках 5.4-5.5.Образец почвы объемом V1 с объемом пор Vпор помещают в сосуд 1,который соединен через кран с манометром, который в свою очередьсоединен с сосудом 2 объема Vсосуда.
Сосуд 2 через кран соединен скомпрессором или насосом Камовского. Сосуды герметичны. Если приотсеченном краном пустом сосуде 2 поднять с помощью компрессорадавление до pдоб и отсоединив его краном от компрессора, соединить ссосудом 1, то часть воздуха из сосуда 2 перейдет под давлением в сосуд 1 иустановится общее для системы давление руст.Запишем закон Клайперона - Менделеева для газа в сосудах до и послеоткрытия кранов:pàòì Vïîð =m0RTμpäîá Vñîñóäà =- для сосуда с почвой, (5.2.1)m1RTμp óñò (Vïîð + Vñîñóäà ) =- для пустого сосуда,m0 + m1RTμ(5.2.2)- для системы в целом, (5.2.3)200где m0 - масса порового газа в сосуде с образцом; m1 - масса газа в сосуде 2;ратм - атмосферное давление; рдоб – нагнетаемое давление; руст –установившееся в системе давление после соединения сосудов; R универсальная газовая постоянная; Т1, Т2, T - температуры в первом и второмсосудах и в системе в целом; μ - молярная масса воздуха.компрессоркран1манометр2почваРисунок 5.3 – Схема устройства измерения пористости почвыРисунок 5.4 – Общий вид установки Рисунок 5.5 – Полевые измерения201Учитывая, что температура после расширения выравнивается допервоначального значения, т.е.Т1 = Т2 = Т,(5.2.4)из уравнений (5.2.1), (5.2.2), (5.2.3) можно с учетом сохранения массы газазаписатьруст = (ратмVпор+ рдобVсосуда)/(Vпор + Vсосуда).(5.2.5)Пористость П = Vпор/Vобразца находим из уравнения (5.2.5):Π=VïîðVñîñóäà=päîá − p óñòp óñò − pàòì,(5.2.6)Для уменьшения ошибок при измерениях следует учесть объемсоединительных трубок и т.п.
Для этого предварительно проделывают опыт снепористым образцом.При параллельном измерении влажности может быть рассчитан объемвлаги Vводы, содержащейся в порах. Таким образом, общая пористостьобразцаП = (Vпор + Vводы) / Vсосуда .(5.2.7)Способ достаточно простой, однако во время его реализации следуетучитывать некоторые нюансы. Поры в почве расположены случайнымобразом и поэтому вполне вероятно наличие пор, перекрытых менисками итупиковых пор. Объем воздуха в таких порах меняется, если разностиприлагаемых к ним давлений Δр больше давлений создаваемых изогнутымиповерхностями менисков Δрм:Δp > Δрм.(5.2.8)Для уменьшения эффектов связанных со смещением водных манжетпри скачкообразном изменении давления опыт проводят не менее пяти раз.Кроме того, скорость перемещения жидкости в порах конечна изависит от их радиуса в соответствии с законом Пуазейляv = (Δрвак / 4ηl)R2 ,(5.2.9)где η - вязкость жидкости; l - длина поры, заполненной водой; R - радиуспоры.202Это обстоятельство требует в эксперименте выдерживать некотороевремя, прежде чем записать установившееся давление.
Чтобы температура всистеме достаточно быстро выравнивалась с температурой окружающейсреды, сосуды должны обладать хорошей теплопроводностью, поэтому болееэффективными являются металлические.Активная пористость рассчитывается, по значениям давления, котороеизмеряется сразу после объединения сосудов, а давление, соответствующееполной пористости, измеряется после стабилизации давления, т.е.
через 3-5мин.В нашем случае были выбраны почвенные образцы объемом около500см3, а давление измерялось образцовым манометром с ценой деления 0,05атм., что позволило измерить пористость для одного и того же образца припятикратной повторяемости со средней относительной ошибкой около 1%.Данный метод измерения пористости и плотности твердой фазы почвыможет быть применен как в полевых, так и лабораторных условиях.Пористость образца определяют следующим образом:1. Помещают образец с кассетой в сосуд 2, герметизируют, нагнетаютвоздух и выдерживают 5 минут, для частичной ликвидации жидкостных«манжет», запирающих воздух в тупиковых порах.2.
Переставляют образец в сосуд 1 и герметизируют.3. Нагнетают воздух в сосуд 2. Выдерживают около 2-х минут.4. Соединяют кранами сосуды 1 и 2, отмечая значение давления рдоб домомента соединения и давление руст после успокоения колебаний стрелкиманометра.5. Рассчитывают объем пор.6. Открывают камеру 1, заменяют образец почвы непористым телом иповторяют пункты 3, 4, и 5 для определения паразитного объема П′.По данным определения объемной влажности w рассчитывают полнуюпористость по формуле:П0 = П - П′ + w.(5.2.10)203Пористостиестественногосостоянияхарактерныенаиболеераспространенным в Чувашской республике почвам приведены в таблице 5.1.Таблица 5.1 - Пористость равновесного состояния почвП0, м3/м3ПочваДерново- подзол.
легко суглинистаяСветло серая леснаяТемно серая леснаяЧернозем выщелоченный0,440,380,470,545.2.3. Твердомеры и определение коэффициента объемного смятияпочвы по сопротивлению пенетрации (твердости)Твердомеры различных типов широко распространены в сельскомхозяйстве. Методика работы с классическими твердомерами широкоизвестна и многократно описана в литературе. При введении в почвуинтендора в ней происходит ряд процессов. Основными из которых являютсяуплотнение почвы по наконечником интендора и вокруг него, деформациисдвига – срез, проходящий через слои почвы и, конечно, трение боковойповерхности интендора о почву.
Поэтому получаемый параметр несет в себемногоразнообразной,нотрудносистематизированнойинформации.Диаграмма характеризуется тремя этапами деформации почвы. Твердостьпочвы на разных глубинах неодинаковая, поэтому ее можно определять длякаждой глубины.Для расчета потенциала деформируемости почв (патент RU 2528551)необходимыизмерениятакихвходящихвформулупотенциаладеформируемости физических величин как усилие на участке прямойпропорциональности диаграммы Р=f(h) (рисунок 1.7) и соответствующая ейглубинапогруженияцилиндрическогонаконечникатвердомера.Коэффициенты объемного смятия имеют довольно высокую степенькорреляции со значениями твердости определенными по участку прямой204пропорциональноститестируемомдиаграммыучасткедоиР=f(h).послеИзмеренияпроведенияпроизводятнаагротехническихикультуртехнических мероприятий.5.2.4. Устройство для получения компрессионных кривыхЗакономерности деформирования почвы определялись вдавливаниемдеформаторов (штампов) цилиндрических и круглых форм без возможностибокового расширения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
